一位德明政府中学校友计划捐资在正信园中央建造两个锦鲤池。这两个水池的形状分别为“D”和“H”,如下图所示(所有尺寸单位均为米,图示未按比例绘制)。 阴影区域表示水池表面。“D”形池由一个 乘 的矩形和由两个半径分别为 和 的同心半圆形成的弯曲区域组成。“H”形池由七个边长为 的相同正方形组成。 证明两个水池的总表面积 由下式给出: 景观设计师建议 和 满足方程 ,其中 是常数。随着 和 的变化,求出 取得驻值时 的精确值。确定该驻点的性质,并在 时利用计算器求出 的驻值。 曲线 的方程由 给出。 通过求导,求出使曲线 上没有点对应的 的精确值集合。
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完整解法
12((a))((i))
1. Find the total surface area of the rectangular and square components of the ponds.
2. Find the area of the curved component of the D pond (the semi-circular annulus).
3. Sum the areas to obtain the final expression for the total surface area $A$.
(shown)
(shown)
12((a))((ii))
1. Express the total area $A$ in terms of a single variable, $r$.
Given , we have .
Substitute this into the expression for from part (i):
2. Differentiate $A$ with respect to $r$ and set it to zero for a stationary point.
For a stationary value, :
3. Substitute $k = rh^2$ back to find the exact value of the ratio $\frac{r}{h}$.
Since , divide both sides by :
Since and represent physical lengths, they must be positive. Thus:
4. Determine the nature of the stationary point using the second derivative test.
Since is a positive constant and , we have .
Therefore, , which means the stationary point is a minimum.
5. Evaluate the stationary value of $A$ when $k = 1$.
When , the stationary condition is:
Substitute and into the expression for :
, Nature: Minimum, (to 3 s.f.)
12((b))
1. Differentiate the equation of the curve with respect to $x$.
2. Set the first derivative to zero to find the $x$-coordinates of the stationary points.
3. Calculate the corresponding $y$-coordinates and determine the nature of each stationary point using the second derivative test.
For , .
Since , is a local minimum.
For , .
Since , is a local maximum.
4. Determine the set of values of $y$ for which there are no points on the curve.
Given that the local maximum is at and the local minimum is at , the graph takes all values except those strictly between these two turning points.
Thus, there are no points on for:
5 - 4\sqrt{2} < y < 5 + 4\sqrt{2}
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